유전자의 구성

개요

진핵생물의 유전체(genome)는 기능에 따라 여러 범주로 구성할 수 있습니다. DNA의 가닥은 유전자(gene)와 유전자 간 영역(intergenic region)으로 구성되어 있습니다. 유전자 자체는 단백질을 암호화(coding; 부호화; 코딩)하는 엑손(exon)과 비암호화(non-coding; 비부호화; 논코딩)된 인트론(intron)으로 구성되어 있습니다. 인트론은 염기서열이 전령RNA(messenger RNA, 줄여서 mRNA)로 전사(transcription)된 후 잘려 나가며, 따라서 mRNA에는 단백질을 암호화하는 엑손만 남게 됩니다.

진핵생물 유전자는 유전자 간 영역에 의해 서로 떨어져 있습니다

진핵생물 유전체에서 유전자는 단백질을 암호화하지 않는 DNA의 넓은 지역에 의해 떨어져 있습니다. 이러한 유전자 간 영역은 유전자 발현을 조절하는 중요한 요소, 예를 들어 전사가 시작되는 프로모터(promoter; 촉진자), 유전자 발현을 미세하게 조정하는 인핸서(enhancer; 증폭자)와 사일런서(silencer; 침묵인자) 등을 가지고 있습니다. 때때로 이러한 결합 자리(binding site; 결합 부위)는 연관된 유전자와 멀리 떨어져 있을 수 있습니다.

단백질 암호화 엑손은 인트론 사이에 배치되어 있습니다

연구자들이 진핵생물의 유전자 전사 과정을 조사하면서, 단백질을 암호화하는 최종 mRNA가 DNA에서 파생된 DNA보다 더 짧다는 것을 알아냈습니다. 이 길이 차이는 스플라이싱(splicing)이라는 과정 때문입니다. mRNA 전구체(precursor mRNA, 줄여서 pre-mRNA; 전구 mRNA)가 핵의 DNA에서 전사되면, 스플라이싱은 즉시 인트론을 제거하고 엑손을 함께 결합합니다. 그 후 단백질 암호화 mRNA가 세포질(cytoplasm)로 이동해 단백질로 번역(translation)됩니다.

유전자 당 인트론의 수는 크게 다를 수 있습니다

가장 큰 인간 유전자 중 하나인 DMD는 2백만 쌍 이상의 염기쌍(base pair)을 가지고 있습니다. 이 유전자는 근육 단백질 디스트로핀(dystrophin)을 암호화합니다. DMD의 돌연변이(mutation)는 점진적인 근육 위축과 쇠약으로 특징지어지는 근디스트로피(muscular dystrophy)를 일으킵니다. 이 유전자는 79개의 엑손과 103개의 인트론을 가지고 있습니다. 이 스펙트럼의 다른 쪽 끝에는 히스톤 H1A 유전자가 있습니다. 히스톤 H1A 유전자는 인간 유전체에서 가장 작은 유전자 중 하나입니다. 781개의 염기쌍을 가졌고, 엑손은 하나가 있으며 인트론은 없습니다.

인트론은 중요한 기능을 수행합니다

인트론은 제거되어야 하는 쓰레기 DNA인가요? 흥미롭게도, 인트론은 유전자 조절에 중요한 요소들을 가지고 있을 수 있습니다. 또한 초기 전사물(transcript)의 절단과 엑손의 재결합은 DNA 서열(DNA sequence)을 뒤섞을 수 있게 만듭니다. 이렇게 엑손을 뒤섞고(exon shuffling) 결합하는 과정은 선택적 스플라이싱(alternative splicing)으로 알려져 있습니다. 이를 통해 단일 암호화 서열에서 여러 가지 단백질 변이체를 만들 수 있습니다.

인간 유전체 대부분은 단백질을 암호화하지 않습니다

여러분은 여러분의 유전체의 99%가 단백질을 암호화하지 않는다는 것을 알고 있었나요? 유전체 연구 초기, 생물학자들은 겉보기엔 기능하지 않는 이 서열에 ‘정크 DNA (쓰레기 DNA)’라는 별칭을 붙였습니다. 그사이 우리는 비암호화 DNA의 많은 부분이 중요한 기능을 가지고 있다는 것을 알게 되었습니다. 인간 유전체의 최소 9%가 유전자 조절에 관여하고 있는데, 이는 단백질 암호화 서열보다 9배나 많은 수치입니다.